概述
在陀螺仪，光频率梳，量子信息实验和光学时钟等高精度应用领域，对传输的光的空间和偏振纯度有着极高的要求。在真空下自由空间传输的光具有极佳的纯度特性，但受限于它的传输距离，而更实用化的普通光纤随着传输距离增加其偏振纯度会逐渐退化并易受非线性效应的影响。
来自英国南安普顿大学光电研究中心的A. Taranta等人发现，经过特殊设计的反谐振空芯光纤可以将两个正交偏振模以10-10/m量级的耦合强度进行传输，实现一个类似于自由空间传输的波导结构。相关研究成果以题目“Exceptional polarization purity in antiresonant hollow-core optical fibres”于2020年5月11发表在Nature Photonics上。
研究背景
图1 (a)和（b）为反谐振空芯光纤和（c）保偏光纤（d）空芯光子带隙光纤在1550nm处的偏振耦合强度对比。
标准单模光纤(SSMF)在没有受到外界扰动时，其偏振纯度可以接近玻璃材料的各向瑞利散射特性所规定的极限值，例如SMF-28光纤在1550nm处其偏振耦合为3x10-8/m。然而当受外界环境扰动时，会受到强烈的偏振模耦合，从而影响器件的性能。通过引入大的双折射，保偏光纤可以破坏偏振模式耦合的相位条件，在外界的扰动下也能保持一个10-7至10-5/m的偏振耦合强度。然而，这些微弱的偏振耦合仍会给光纤系统带来各种有害的影响，如热相位噪声，瑞利散射等随机效应和光克尔效应、受激布里渊散射等非线性效应，限制了传感器的注入光功率和信噪比。
技术突破
空芯光纤通过玻璃微结构将光束缚在中空纤芯当中，减小了光与玻璃的相互作用，进而保持了传输光的偏振纯度。早期的设计中，通过引入大的双折射（10-6rad/m），最高可以实现10-6/m的偏振耦合强度。而在本文中，经过特殊设计的两种无节点反谐振空芯光纤可以在不应用任何双折射的情况下，将传输光的偏振耦合强度降至10-10/m的量级，同时可以抵抗外界温度的扰动。
图2 第一种反谐振光纤宽带交叉偏振测量图
图2a中反谐振空芯光纤用于导光的空气纤芯直径为42μm，七根非接触式包层毛细管直径为21μm，包层毛细管厚度为358nm。图2d中测量到的偏振消光比70dB，对应偏振耦合强度为3x10-9/m。3
图3 第二种反谐振光纤衰减和偏振特性
图3a中的反谐振空芯光纤用于导光的空气纤芯直径为33.4μm，外层毛细管直径为24.6μm，厚度为576nm，内层毛细管直径为9.1μm，厚度为547nm。图3e测量到的偏振消光比为69.7dB，对应偏振耦合强度为3.5x10-10/m。
作者在本文中表示，在没有受到外界扰动时，反谐振空芯光纤的偏振耦合来源于表面散射。根据表面散射模型估计，纤芯直径为40μm的反谐振空芯光纤，其最小偏振耦合强度约在10-11/m, 纤芯直径为30μm的光纤其最小耦合强度约在10-10/m。
观点评述
如何让光在传输中保持其原本的特性，一直是科研人员所苦苦追寻的。为了保证测量精度，著名的引力波测量平台LIGO搭建了长达8km的真空管道，耗资甚巨。而反谐振空芯光纤作为一种特种光纤，它中空的传光环境可以使得光能保持其在自由空间中传播的特性，又能实现长距离的传输。即使在强热应力下，传输的光仍能保持高纯度的线偏振状态。在需要稳定传输上千公里高纯线偏振光精密干涉测量重大仪器科学领域，能提供类似真空传输的反谐振空芯光纤必将会带来颠覆性的改变，让人们以更低成本、更实用的方式来探寻我们所处世界的奥秘。
